淺談一種無(wú)線(xiàn)電高度表檢查儀的設(shè)計(jì)

許海

（國(guó)營(yíng)蕪湖機(jī)械廠(chǎng)，安徽 蕪湖 241007）

某型無(wú)線(xiàn)電高度表檢查儀的研制是為了適應(yīng)高新軍事技術(shù)的飛速發(fā)展，研制要求檢測(cè)系統(tǒng)具有較高的自動(dòng)化測(cè)試能力，提高對(duì)產(chǎn)品的測(cè)試速度和精度，確保某型無(wú)線(xiàn)電高度表各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合要求。該檢測(cè)儀采用了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、測(cè)量技術(shù)、軟件編程技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)代航空高度表的智能化、綜合化測(cè)試要求，本著節(jié)約經(jīng)費(fèi)的原則，提出了無(wú)線(xiàn)電高度表測(cè)試的新思想、新方法。

1 硬件設(shè)計(jì)

用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)高度表性能測(cè)試過(guò)程控制的系統(tǒng)包括兩大部分，即工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和被測(cè)高度表系統(tǒng)。組成框圖見(jiàn)圖1。

圖1 控制系統(tǒng)組成框圖

1.1 工控機(jī)

工控機(jī)主機(jī)系統(tǒng)是高度表檢查儀串行和并行數(shù)據(jù)接收、處理和結(jié)果顯示的核心。使用工控機(jī)控制和數(shù)據(jù)處理，減小了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，使用的元件數(shù)量比原俄制無(wú)線(xiàn)電高度表檢查儀大大減少，提高了系統(tǒng)的可靠性,擴(kuò)展了系統(tǒng)功能。工控機(jī)主機(jī)系統(tǒng)主要完成以下幾方面的工作：（1）接收無(wú)線(xiàn)電高度表輸出的并行和串行高度數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息；（2）分析串行碼的狀態(tài)信息，計(jì)算高度值；（3）驅(qū)動(dòng)主顯示電路顯示高度值和相關(guān)狀態(tài)信息；（4）分析高度表檢查儀的工作狀態(tài)，自動(dòng)完成部分操作；（5）自檢高度表檢查儀的主要電路；（6）實(shí)時(shí)監(jiān)控高度表發(fā)出的各種狀態(tài)信號(hào)；（7）發(fā)出各種操作控制信號(hào)；（8）通過(guò)IEEE-488接口與其他設(shè)備交聯(lián)；（9）檢測(cè)參數(shù)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和報(bào)表打印。

輸入輸出（I/O）接口在計(jì)算機(jī)和被測(cè)高度表系統(tǒng)之間起著聯(lián)系和橋梁的作用，它完成以下兩個(gè)基本功能：（1）輸入接口把測(cè)試過(guò)程的各種參數(shù)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)，轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別和接收的信號(hào)，并輸入計(jì)算機(jī)，以便計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理。（2）輸出接口把計(jì)算機(jī)根據(jù)算術(shù)和邏輯運(yùn)算的結(jié)果發(fā)出的各種控制指令，轉(zhuǎn)換成操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制信號(hào)，以便通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)去控制測(cè)試過(guò)程。

系統(tǒng)利用IEEE-488接口總線(xiàn)和各類(lèi)設(shè)備專(zhuān)用接口線(xiàn)，將工控機(jī)與各個(gè)單元有機(jī)地連接成一個(gè)集控制、采集、處理、顯示、打印、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為一體的無(wú)線(xiàn)電高度表性能測(cè)試綜合平臺(tái)。系統(tǒng)依據(jù)測(cè)試工藝流程所要求的測(cè)試條件,由自制的輸出信號(hào)調(diào)理模塊產(chǎn)生相應(yīng)測(cè)試激勵(lì)信號(hào)，被測(cè)信號(hào)先經(jīng)過(guò)自制的輸入信號(hào)調(diào)理模塊的轉(zhuǎn)換，再送至適配器端口進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試的結(jié)果由顯示器顯示，從而對(duì)無(wú)線(xiàn)電高度表進(jìn)行全面的數(shù)據(jù)處理、性能調(diào)整與故障定位分析。

工控機(jī)主機(jī)處理的狀態(tài)信息分為三部分，一部分是無(wú)線(xiàn)電高度表輸出的27V狀態(tài)信號(hào),該信號(hào)的內(nèi)容包括：“良好”“危險(xiǎn)高度信號(hào)1”“危險(xiǎn)高度信號(hào)2”“一次性信號(hào)1”“一次性信號(hào)2”“一次性信號(hào)3”“高度表接通”“高度表準(zhǔn)備好”；其次，是由檢查儀發(fā)出的“發(fā)射機(jī)接通”“高度表自檢”“檢查儀接通”“紅燈”“白燈”指令的狀態(tài)；第三種是由32位串行碼中分離出來(lái)的狀態(tài)信號(hào)有“狀態(tài)1”“偶數(shù)”、“正常”“檢查”“標(biāo)準(zhǔn)”“地址”和“截獲”等。這些狀態(tài)信號(hào)經(jīng)工控機(jī)主機(jī)處理后，在顯示屏上顯示出來(lái)。

1.2 高度表檢查儀串行碼模擬和串行碼接收模塊

該組件包括時(shí)鐘產(chǎn)生電路、模擬32位串行碼產(chǎn)生電路、單-雙極性變換電路、雙-單極性變換電路、串行碼時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)電路、延遲電路、串-并行碼轉(zhuǎn)換電路、并行碼鎖存電路、進(jìn)位和清除脈沖形成電路。無(wú)線(xiàn)電高度表輸出串行碼和模擬串行碼的信號(hào)方式為圖2所示的雙極性三電平信號(hào)。

圖2 32位串行碼波形

晶體振蕩器輸出2MHz的信號(hào)，經(jīng)分頻后產(chǎn)生100kHz左右的方波信號(hào)，作為模擬串行碼產(chǎn)生電路和進(jìn)位及清除脈沖形成電路的基本時(shí)鐘。分頻器用可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)。

模擬32位串行碼產(chǎn)生電路由J—K觸發(fā)器構(gòu)成的反饋移位寄存器實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)生碼長(zhǎng)為36位的周期序列，其中前32位為有效碼，后4位為起止碼，模擬串行碼產(chǎn)生器先輸出最低位值。在“量程1”時(shí)，32位碼的16進(jìn)制表示為07807807H，模擬高度值為30727.5m；在“量程2”時(shí)，模擬高度值為7681.5米。

1.3 模擬脈沖延遲速率/范圍單元

該組件電路按照功能可以分為時(shí)間延遲電路、控制電路、延遲脈沖形成電路三部分，如圖3所示。

圖3 模擬脈沖延遲速率/范圍單元原理框圖

時(shí)間延遲電路由擴(kuò)展器，鋸齒波電壓產(chǎn)生器和比較器組成。無(wú)線(xiàn)電高度表送出的測(cè)距同步脈沖經(jīng)時(shí)間延遲電路的擴(kuò)展電路，將高電平脈沖變換成低電平，控制鋸齒波電壓產(chǎn)生器工作，鋸齒波電壓產(chǎn)生器在擴(kuò)展電路的控制下，產(chǎn)生快鋸齒波電壓送到幅度比較電路,與從控制電路來(lái)的慢鋸齒波電壓進(jìn)行比較，在電壓相等的瞬間，比較器的輸出端產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，而慢鋸齒波電壓的幅值確定了這個(gè)脈沖相對(duì)同步脈沖的延遲大小。比較器的輸出端產(chǎn)生觸發(fā)脈沖經(jīng)整形后，一路加到擴(kuò)展器，把延遲脈沖進(jìn)行擴(kuò)展；而另一路送到輸出驅(qū)動(dòng)電路，經(jīng)變壓器T2耦合輸出。

在模擬速度變化時(shí)，慢鋸齒波產(chǎn)生器是一個(gè)積分器；在模擬高度范圍時(shí)，則是一個(gè)放大器。

1.4 模擬信號(hào)調(diào)理單元原理電路

該電路包括交流和直流調(diào)理電路、譯碼選擇電路、驅(qū)動(dòng)電路、繼電器陣列四部分組成。譯碼選擇電路通過(guò)對(duì)控制電路輸出的六位控制碼譯碼，譯碼信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)，控制相應(yīng)的繼電器選通，直接或?qū)⒄{(diào)理后的一路交流和一路直流信號(hào)選擇輸出到交流和直流測(cè)試端。考慮到檢測(cè)的模擬信號(hào)電壓范圍從上百伏到一伏以下，因此，采用繼電器陣列進(jìn)行信號(hào)的選擇輸出。

1.5 高度表檢查儀電源組件

電源組件用27V直流電源供電，由兩塊DC-DC模塊和CW7905組成。DC-DC模塊PKA24PIL的輸入電壓范圍為19～35V，輸出+5V最大電流為8A，在-40～+85℃環(huán)境中可滿(mǎn)功率輸出。DC-DC模塊PKA2323PI的輸入電壓范圍為19～35V，分別輸出+12V和-12V，電流可達(dá)2A。-12V電壓經(jīng)三端穩(wěn)壓塊CW7905穩(wěn)壓輸出-5V的電壓，-12V和-5V在系統(tǒng)中的最大負(fù)載小于0.5A。

2 軟件設(shè)計(jì)

針對(duì)檢測(cè)任務(wù)的特點(diǎn)和要求，檢測(cè)軟件要實(shí)現(xiàn)以下方面的性能：（1）自動(dòng)性。在對(duì)所有檢測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，自動(dòng)檢查項(xiàng)目可以自由選擇，在自動(dòng)檢查時(shí)，能夠在最少人工干預(yù)的條件下，連續(xù)自動(dòng)進(jìn)行條件判斷、捕捉信號(hào)、控制設(shè)備、檢測(cè)結(jié)果、數(shù)據(jù)處理等工作。（2）交互性。可以提供友好、直觀(guān)的數(shù)據(jù)顯示形式、方便的控制的界面元素。包括模擬高度指示燈、頻率顯示、波道顯示、功率顯示、時(shí)間顯示、檢測(cè)數(shù)據(jù)記錄顯示等。（3）實(shí)時(shí)性。在檢測(cè)高度表的過(guò)程中，特別是檢查速度模擬、靈敏度等項(xiàng)目時(shí)，實(shí)時(shí)性要求高。（4）可靠性。保證檢測(cè)結(jié)果的可靠性、一致性、有效性是正確檢測(cè)的前提。整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的獲取應(yīng)盡量通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)儀器進(jìn)行獲取，對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)要做一定的數(shù)據(jù)處理，如均值法，最大最小值法等。（5）安全性。包括檢測(cè)過(guò)程中對(duì)設(shè)備的安全性和檢測(cè)數(shù)據(jù)記錄、操作權(quán)限的安全性。檢測(cè)過(guò)程中，在有可能對(duì)設(shè)備儀器造成損壞的情況下，要能夠自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)保護(hù)。對(duì)操作者的使用權(quán)限進(jìn)行注冊(cè)，并用口令進(jìn)行保護(hù)限制。

2.1 硬件訪(fǎng)問(wèn)方式

本檢測(cè)系統(tǒng)建立在以PC總線(xiàn)和IEEE488總線(xiàn)為基礎(chǔ)的檢測(cè)平臺(tái)上，一部分通過(guò)IEEE488總線(xiàn)以及GPIB接口將標(biāo)準(zhǔn)通用儀器與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)連接起來(lái)，控制通用儀器做出相應(yīng)的操作，或?qū)z測(cè)的結(jié)果數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和顯示；另一部分通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行控制和獲取數(shù)據(jù)。針對(duì)GPIB的編程。考慮到本檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)硬件訪(fǎng)問(wèn)的復(fù)雜度，采用了嵌入?yún)R編程序的方法。這是因?yàn)楸拒浖袑?duì)硬件的操作止于對(duì)端口的讀寫(xiě)，而沒(méi)有DMA、中斷等復(fù)雜的操作。這樣可簡(jiǎn)化編程難度，增加調(diào)試靈活性，降低開(kāi)發(fā)周期與成本。由于操作簡(jiǎn)單，所以只要地址正確，就可保證訪(fǎng)問(wèn)的安全性。

2.2 軟件結(jié)構(gòu)模型

為了提高軟件的后期易維護(hù)性，可升級(jí)性，本軟件采用了部分基于DLL（動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)）技術(shù)的模塊化結(jié)構(gòu)：針對(duì)各個(gè)檢測(cè)任務(wù)的模塊，即需要經(jīng)常完善修改的部分被做成DLL，而相對(duì)穩(wěn)定的界面、數(shù)據(jù)庫(kù)等部分則直接做成可執(zhí)行文件。這樣，需要修改檢測(cè)部分程序時(shí)，只需提供相應(yīng)的修正版本的DLL即可，而不需要重新再進(jìn)行編譯。

圖4 軟件結(jié)構(gòu)模型

3 結(jié)語(yǔ)

本方案充分考慮測(cè)試的需求以及系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、易操作性、實(shí)用性等要求，采用總線(xiàn)化、模塊化的測(cè)試技術(shù)組建的自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)；采用先進(jìn)的通用測(cè)試軟件平臺(tái)、測(cè)試總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)等技術(shù)。該方案不僅完成了對(duì)某型無(wú)線(xiàn)電高度表的性能檢測(cè)，并且為某型飛機(jī)地面檢測(cè)設(shè)備國(guó)產(chǎn)化奠定了基礎(chǔ)，為我國(guó)新型飛機(jī)的研制提供了新的思路和方法。